兰州理工大学数控教学.ppt

一、 基本概念 1.数控技术（NC技术）：是指用数字化的信息发出指令并实现自动控制的技术。 2.数控系统（NC System）：采用了数字控制技术的自动控制系统。 3.计算机数控 ：是指用计算机来实现部分或全部的基本数控功能的数控系统。 4.数控机床：装备了数控系统的机床。,第一章 概 述,5.加工中心（ATC自动换刀装置） 6.直接数字控制（群控） DNC 7.柔性制造单元 FMC 8.柔性制造系统 FMS 9.计算机集成制造系统CIMS,第一章 概 述,一、 基本概念,二、数控机床的组成,第一章 概 述,CPU是CNC装置的核心，它由运算器和控制器两个部分组成，运算器是对数据进行算术和逻辑运算的部件，控制器是统一指挥和控制数控系统各部件的中央机构。 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、测量装置和机械本体五个部分组成。,第一章 概 述,三.数控机床主机的结构特点 高刚度和高抗振性； 小的机床热变形； 高效率、无间隙、低摩擦传动； 简化的机械传动结构；,第一章 概 述,四.数控机床分类 (1)按控制轨迹的特点分类 点位控制数控机床 直线控制数控机床 轮廓控制数控机床,第一章 概 述,四.数控机床分类 (2)按伺服系统的类型分类 开环控制数控机床 闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床 区别：位置检测装置及安装位置 性能比较：精度、成本、调试和维护,第一章 概 述,一.基础知识 数控机床的标准坐标系是如何建立的? Z坐标 标准规定：Z坐标平行主轴轴线的进给轴。 若没有主轴(牛头刨床)或者有多个主轴，则选择垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。 若有多个主轴，则选择垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。 Z坐标正方向的规定：刀具远离工件的方向。,第二章 数控加工程序的编制,标准规定：X坐标是水平的，平行于工件装夹平面。 （1）在刀具旋转的机床上（铣床、钻床、镗床等）。 Z轴水平（卧式），则从刀具(主轴)向工件看时，X坐标的正方向指向右边。 Z轴垂直（立式）； 单立柱机床，从刀具向立柱看时，X的正方向指向右边； 双立柱机床(龙门机床)，从刀具向左立柱看时，X轴的正方向指向右边。,第二章 数控加工程序的编制,X坐标 机床上（车床、磨床等）主轴带工件旋转机床，X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，且刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。,第二章 数控加工程序的编制,Y坐标 利用已确定的X、Z坐标的正方向，用右手定则或右手螺旋法则，确定Y坐标的正方向。 右手定则：大姆指指向+X，中指指向+Z，则+Y方向为食指指向。 右手螺旋法则：在X Z平面，从Z至X，姆指所指的方向为+y。,第二章 数控加工程序的编制,二.常用的基本指令(P42) 准备功能指令 1、快速定位指令G00 2、工件坐标系设定G92 3、直线进给指令G01 4、圆弧插补指令G02 G03 5、刀具半径补偿指令G40 G41 G42,第二章 数控加工程序的编制,二.常用的基本指令(P42) 准备功能指令 6、刀具长度补偿指令G43 G44 7、零点偏移设置指令G54-G57 8、绝对和相对编程指令G90 G91 9、坐标平面选择指令G17、G18、G19,第二章 数控加工程序的编制,辅助功能指令 程序停止指令M00 计划停止指令M01 主轴控制指令 M03、M04、M05 换刀指令M06 冷却液控制指令M07、M08、M09,第二章 数控加工程序的编制,辅助功能指令 夹紧、松开指令 M10、M11 主轴及冷却液控制指令 M13、M14 程序结束指令 M02 M30 数控机床的输入介质是：穿孔纸带、磁带和磁盘,第二章 数控加工程序的编制,保证零件的加工精度和表面粗糙度要求； 尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程以提高生产率。 利于简化数值计算，减少程序段的数目和程序编制的工作量； 在车削和铣削加工中，应尽量避免径向切入和切出。,确定合理的“走刀路线”,走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。,对刀点：就是刀具相对于零件运动的起点，又称“起刀点”，也是零件加工程序运行的起点。 对刀点的选择： 为保证零件的加工精度，对刀点尽量选在零件的设计基准或定位基准上； 对刀点应选在便于对刀的地方，便于观察和监测；,选择合适的“对刀点”和“换刀点”,对刀点的选择： 对刀点的选择应便于坐标计算。 换刀点的选择： 不碰夹具、工件和机床的原则而定。,选择合适的“对刀点”和“换刀点”,例3,一. CNC装置应该具备以下功能： (1)主轴功能 (2)进给功能 (3)准备功能 即G功能。 (4)插补功能 (5)控制功能 (6)辅助功能 (7)选刀及工作台分度功能 (8)补偿功能 (9)固定循环功能 (10)字符、图形显示功能 (11)诊断功能 (12)通讯功能 (13)在线自动编程功能,第三章 CNC装置及其接口电路,二.硬件结构 1.单微处理器结构和多微处理器结构 单微处理器结构的CNC装置并非只有一个微处理器； 多采用“集中控制，分时处理”的方式来完成各项数控功能；,第三章 CNC装置及其接口电路,3.多微处理器结构CNC装置的基本功能模块： （）CNC管理模块 （）CNC插补模块 （）位置控制模块 （）存储器模块 （）PLC模块 （）指令、数据的输入输出及显示模块；,第三章 CNC装置及其接口电路,3.多微处理器结构CNC装置的典型结构 （1）共享总线结构 （2）共享存储器结构,第三章 CNC装置及其接口电路,三.CNC装置常用的软件设计技术 1.前后台型的软件结构 2.中段式软件结构,第三章 CNC装置及其接口电路,四. PLC 1.可编程序控制器简称PLC。 2.PLC采用循环(巡回)扫描工作方式工作。 3.数控机床中，PLC有内装型和独立型之分。 4.机床PLC的工作方式 5.数控机床用PLC的循环扫描程序分为高级顺序程序和低级顺序程序两个部分。,第三章 CNC装置及其接口电路,五、机床I/O接口 1.功能： 用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号；还用来把机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。,第三章 CNC装置及其接口电路,五、机床I/O接口 2.要求： 1）进行必要电隔离，防止干扰信号串入， 防止高压串入对CNC装置的损坏； 2）进行电平转换和功率放大。,第三章 CNC装置及其接口电路,3.机床I/O接口中常用的器件及电路有： 1）光电耦合器 2）簧式继电器 3）固态继电器 4）接口驱动电路,第三章 CNC装置及其接口电路,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,一.插补 1.所谓插补就是指数据密化的过程。在对数控系统输入有限坐标点(例如起点、终点)的情况下，计算机根据线段的特征(直线、圆弧、椭圆等)，运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，即所谓数据密化，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个轮廓曲线的轨迹运行，以满足加工精度的要求。,2.脉冲增量插补就是通过向各坐标分配脉冲，来控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而实现刀具和工件之间的相对运动。 3.数据采样插补法就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线，由于这些微小线段是根据程编进给速度，按系统给定的时间间隔来进行分割，所以又称为“时间分割法”。,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,4.逐点比较法的基本原理是，在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向。,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,1.逐点比较法 1.3 逐点比较法的基本步骤 在逐点比较法中，每进给一步都须要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较四个节拍处理。 第一节拍偏差判别； 第二节拍坐标进给； 第三节拍偏差计算； 第四节拍终点判别。,第二节 脉冲增量插补逐点比较法,第二节 脉冲增量插补逐点比较法,逐点比较法直线插补计算？ 逐点比较法圆弧插补计算？,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,1.数字积分法理论依据（基本原理） 对函数X=f(t)在区间0,的积分。,第三节 脉冲增量插补数字积分法,1.数字积分法理论依据（基本原理） 由以上分析可以看出： 在数字积分插补中，被积函数的确定和积分器的设计是关键。,第三节 脉冲增量插补数字积分法,数字积分法直线插补计算？ 数字积分法圆弧插补计算？,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,二、刀具补偿 1.根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿。 2.刀具补偿一般分成刀具长度补偿和刀具半径补偿（概念）。 3.在零件轮廓加工过程中，刀具半径补偿的执行过程分为三个阶段： (1)刀具半径补偿的建立。(2)刀具半径补偿的执行。 (3)刀具半径补偿的注销。,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,4.B、C刀具半径补偿功能的区别是什么？ 5.根据两段程序轨迹的矢量夹角和刀具补偿方向（G41或G42）的不同，又可以有以下几种转接过渡方式：伸长型；缩短型；插入型。而插入型又分两种过渡方式，即直线过渡型和圆弧过渡型。,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,二、闭环CNC装置的进给速度及加减速控制 在闭环CNC装置中，加减速控制多数都采用软件来实现，可放在插补前，也可放在插补后进行，如下图所示。,放在插补前的加减速控制称为前加减速控制； 放在插补后的加减速控制称为后加减速控制；,第四章 插补、刀具补偿与速度控制,一、数控机床伺服系统 1.伺服驱动系统简称伺服系统（Servo system），是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 2.伺服驱动系统通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。,第五章 伺服驱动系统,2.数控机床伺服系统的分类 (1)按伺服系统调节理论，数控机床伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。 (2)按驱动部件的动作原理，数控机床伺服系统又可分为电液控制系统和电气控制系统。,第五章 伺服驱动系统,2.数控机床伺服系统的分类 (3)按反馈比较控制方式，数控机床伺服系统有脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。 (4)按控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。,第五章 伺服驱动系统,3、数控机床对伺服驱动系统的基本要求 (1)位移精度高 (2)可靠性高 (3)快速响应，无超调 (4)调速范围宽 (5)低速大扭矩,第五章 伺服驱动系统,二、位置检测装置 1、检测装置在CNC系统中的作用 位置检测装置是数控系统的重要组成部分。 数控机床的位移精度，主要取决于数控机床驱动元件和位置检测装置的精度，但位置检测装置精度将起主要作用或决定性作用。,第五章 伺服驱动系统,2 位置检测装置的分类,第五章 伺服驱动系统 第二节 检测装置,第二节 检测装置,3.检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。 系统精度是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值。 系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量。,第五章 伺服驱动系统,4.数控机床对位置测量装置的要求： (1)工作可靠，抗干扰能力强； (2)满足精度、分辨率、测量范围的要求； (3)对高速动态信号能实现不失真测量和处理； (4)使用维护方便； (5)易于实现自动化； (6)成本低。,第五章 伺服驱动系统,5.编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又为脉冲编码器。它是数控机床上使用最为广泛的位置检测装置，也可以用于速度检测。 脉冲编码器按码盘的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。 数控机床上使用光电式脉冲编码器。 按测量的坐标系，脉冲编码器可分为增量式和绝对式。,第五章 伺服驱动系统,5.增量式光电脉冲编码器 A、B两相的作用： 根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移。 根据脉冲的频率可得被测轴的转速。 根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。 后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。,第五章 伺服驱动系统,5. 增量式光电脉冲编码器 Z相的作用: 被测轴的周向定位基准信号; 被测轴的旋转圈数记数信号。,第五章 伺服驱动系统,6.光栅作为高精度位置检测装置，用在数控机床进给伺服驱动系统中，主要用来检测位移。 它主要由标尺光栅和光栅读数头两大部分组成。 根据光栅尺制造方法和光学原理的不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅。,第五章 伺服驱动系统,7.光栅莫尔条纹有如下特点： （1）放大作用；B=/ （2）误差均化作用； （3）利用莫尔条纹测量位移；,第五章 伺服驱动系统,8、感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。 感应同步器广泛应用于数控机床及各类机床数控改造。 鉴相型工作方式和鉴幅工作方式。,第五章 伺服驱动系统,9.步进电机工作方式 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。对步进电机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度称为一步。由于步进电机采用这种步进形式的运动方式，故称为步进电机。 脉冲数量决定着步进电机的角位移(或线位移) ，脉冲频率决定着步进电机的旋转速度。 分配脉冲的相序改变后，步进电机则反转。,第五章 伺服驱动系统,10.步进电机的步距角 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下： 式中：步进电机的步距角； m电机相数； Z转子齿数； K系数，相邻两次通电相数相同，K1； 相邻两次通电相数不同，K2。,第五章 伺服驱动